(57)【要約】      （修正有）【課題】  超音波接合におけるバリの発生を防止するためのホーン、該ホーンを含む超音波接合装置、及び超音波接合方法を提供する。【解決手段】  超音波接合装置に用いるホーンが、被接合材を加圧する加圧面を有し振動方向に振動するホーン基部１と、加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部２と、加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部３と、第１溝部２と第２溝部３に挟まれた加圧面に設けられた突起部４とを含む。第１溝部２と振動方向との間の角度は、第２溝部３と振動方向との間の角度より大きく、かつ第１溝部２の溝幅は第２溝部３の溝幅より大きい。また、第１溝部２と振動方向との間の角度が、第２溝部３と振動方向との間の角度より大きく、かつ第１溝部２の深さが第２溝部３の深さより大きくても良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波接合装置に用いるホーンであって、
被接合材を加圧する加圧面を有し、振動方向に振動するホーン基部と、
該加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部と、
該加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部と、
該第１溝部と該第２溝部に挟まれた該加圧面に設けられた突起部とを含み、
該第１溝部と該振動方向との間の角度が、該第２溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ該第１溝部の溝幅が該第２溝部の溝幅より大きいことを特徴とするホーン。
【請求項２】
超音波接合装置に用いるホーンであって、
被接合材を加圧する加圧面を有し、振動方向に振動するホーン基部と、
該加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部と、
該加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部と、
該第１溝部と該第２溝部に挟まれた該加圧面に設けられた複数の突起部とを含み、
該第１溝部と該振動方向との間の角度が、該第２溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ該第１溝部の深さが該第２溝部の深さより大きいことを特徴とするホーン。
【請求項３】
超音波接合装置に用いるホーンであって、
被接合材を加圧する加圧面を有し、振動方向に振動するホーン基部と、
該加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部と、
該加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部と、
該第１溝部と該第２溝部に挟まれた該加圧面に設けられた突起部とを含み、
該第１溝部と該振動方向との間の角度が、該第２溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ、該突起部の先端を含む第１平面に対して、互いに隣接する該第１溝部の底部を含む第２平面が傾いてなることを特徴とするホーン。
【請求項４】
更に、上記第１平面および上記第２平面に対して傾き、かつ、互いに隣接する該第１溝部の底部を含む第３平面を含むことを特徴とする請求項３に記載のホーン。
【請求項５】
上記第２方向が上記振動方向と略一致し、上記第１方向が該振動方向と略直交する方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のホーン。
【請求項６】
上記突起部が、角錐形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のホーン。
【請求項７】
上記請求項１〜６のいずれかに記載のホーンと、アンビルとを含み、
該ホーンが、該アンビルに載置された基材に対して被接合材を押圧しながら該接合材を振動方向に振動させることを特徴とする超音波接合装置。
【請求項８】
超音波接合方法であって、
アンビルの上に基材を載置する工程と、
該基材の上に被接合材を載置し、その上に加圧面が接するようにホーンを載せる工程と、
該加圧面で該被接合材を押圧しながら、該被接合材を振動方向に振動させる接合工程とを含み、
該接合工程が、該振動方向に対して所定の角度で該加圧面に設けられた溝部に、該被接合材に埋まらない空隙を保ちつつ、該被接合材を振動させる工程であることを特徴とする超音波接合方法。
【請求項９】
上記ホーンが、上記請求項１〜６のいずれかに記載のホーンであることを特徴とする請求項８に記載の超音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動によって電気部品の金属端子などを重ね合わせて接合する超音波接合装置に関し、特に、超音波接合装置に含まれるホーンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波振動接合装置では、基材をアルビン上に載せて固定し、その上に被接合材を載置する。更に、被接合材の上にホーンを下降させ、載置させる。ホーンは、基材に対して被接合材を押圧しながら、所定の周波数で被接合材を水平方向に超音波振動させる。
この結果、基材と被接合材の接合面は押圧と超音波振動による摺動が相まって、金属表面の酸化物やその他の汚れが除去される。更に、摩擦発熱により材料の塑性流動が起き易くなり、接合面積の拡大とともに金属原子間で接合が行われる。
【０００３】
かかる超音波接合装置では、ホーンの振動を被接合材に滑りを起こすことなく伝えるために、ホーンの加圧面には複数の角錐状の突起部が形成されている。接合工程においては、被接合材の表面にホーンの突起部が食い込み、ホーンに対して被接合材を固定する。しかし、突起部が被接合材を削ることにより、突起部と被接合材との間の空隙でバリが発生するという問題があった。
【０００４】
これに対して、ホーンの突起部（凹凸部）の谷と被接合材との間の空隙が無くなるまで、被接合材に対してホーンを押圧し、空隙内のバリを潰す方法が提案されている。即ち、ホーンの突起部が被接合材に深く食い込み、空隙が無くなることにより、被接合材の表面に形成される多くのバリは、ホーンと被接合材の間に押し潰されて被接合材と再度接合する（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−９９３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ホーンと被接合材の間に空隙がなくなった状態で、接合工程を停止することは困難であり、更に、ホーンの押圧が続いた場合、押し潰されたバリはホーンの外周部に押し出され、ホーンの外周部でバリを形成する。特に、被接合材の厚さや硬度のばらつきにより、ホーンの食い込み量が場所によりばらつくため、かかるバリの発生の防止は非常に困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、超音波接合におけるバリの発生、特にホーン外周部におけるバリの発生を防止したホーン、該ホーンを含む超音波接合装置、及び超音波接合方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、超音波接合装置に用いるホーンであって、被接合材を加圧する加圧面を有し振動方向に振動するホーン基部と、加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部と、加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部と、第１溝部と第２溝部に挟まれた加圧面に設けられた突起部とを含む。第１溝部と振動方向との間の角度は、第２溝部と振動方向との間の角度より大きく、かつ第１溝部の溝幅は第２溝部の溝幅より大きい。また、第１溝部と振動方向との間の角度が、第２溝部と振動方向との間の角度より大きく、かつ第１溝部の深さが第２溝部の深さより大きいても良い。
ここで、第１溝部と振動方向との間の角度が、第２溝部と振動方向との間の角度より大きいとは、第１溝部が第２溝部より、より振動方向に対して垂直に近い方向に形成されていることをいう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にホーンを用いた超音波接合では、加圧面外周部でのバリの発生を防止できる。このため、バリの除去工程が不要となり、製造工程及び製造コストの削減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるホーンの概略図である。図１に示すように、ホーン１００は、ホーン基部１の上面が加圧面（図２では、下方が加圧面）１０となっている。加圧面１０には、被接合材（図２の符号２０）との滑りを防止するために、碁盤目（マトリックス）状に、縦溝２（ｙ軸方向）と横溝３（ｘ軸方向）が形成されている。また、縦溝２と横溝３に囲まれるように、複数の角錐状の突起部４が形成されている。
後述するように、ヘッド１００の振動方向は、横溝方向（ｘ軸方向）とする。また、突起部４の高さは、接合に必要な被接合材への突起部４の食い込み深さと、発生するバリの厚みとを勘案して決める。
【００１０】
本実施の形態にかかるホーン１００では、超音波振動方向３０に対して垂直な方向（ｙ軸方向）の縦溝２の幅が、従来構造より広くなっている。
ここで、縦溝２の幅とは、隣接する突起部４の間隔をいい、換言すれば、隣接する突起部４の間に設けられた平坦部の幅をいう（図１において「Ｗ」で表示）。
【００１１】
図２は、全体が５００で表される、ホーン１００が組み込まれた超音波接合装置の概略図である。超音波接合装置はホーン１００とアンビル１５０を含む。ホーン１００は、加圧面１０が下向きとなるように配置される。
アンビル１５０に上面にも、ホーン１００の加圧面１０と同様に、複数の角錐状の突起部１５１が設けられている。
【００１２】
超音波接合装置５００では、アンビル１５０の上に、接合させる２つの被接合材２０、基材２１を載置し、その上にホーン１００が載せられる。基材２１にはアンビル１５０の突起部１５１が食い込んで、アンビル１５０に対して基材２１を固定する。
一方、被接合材２０にはホーン１００の突起部４が食い込んで、ホーン１００に対して被接合材２０を固定する。
ホーン１００で被接合材２０、基材２１をアンビル１５０の方向に加圧しながら、ホーン１００が矢印３０の方向に、例えば数１０ｋＨｚの周波数で超音波振動する。これにより、被接合材２０、基材２１の表面酸化物やその他の汚れが除去される。更に、摩擦発熱により、被接合材２０、基材２１の塑性流動が起き易くなり、接合面積の拡大とともに接合が行われる。
【００１３】
図３は、超音波接合装置５００を用いた接合工程を示す概略図である。図３において、縦溝２の幅をＷ、深さをＨとする。
まず、図３（ａ）に示すように、アンビル（図示せず）上に被接合材２０、基材２１をセットする。かかる工程では、アンビル上に載置されたその上にホーン１００を下降させる。図３（ａ）は、突起部４の先端を被接合材２０に当接させた状態である。
【００１４】
図３（ｂ）は、超音波接合中の概略図である。ホーン１００により、被接合材２０を基材２１に対して押圧する。更に、ホーン１００を矢印３０の方向に超音波振動させる。周波数は、例えば数１０ｋＨｚである。
これにより、被接合材２０と基材２１との接合面同士が摺れて、接合面を覆っている酸化膜等の、接合を阻害する膜等が除去される。被接合材２０の上面には、ホーン１００の突起部４が食い込んでいる。被接合材２０は、突起部４の食い込みにより塑性変形し、バリが発生する前の状態にある。
【００１５】
図３（ｃ）は、超音波接合が終了した段階の概略図である。基材２１と被接合材２０とは、超音波振動により接触面が溶融し、接合されている。突起部４は、更に被接合材２０に食い込んだ状態となっている。
【００１６】
ここで、比較のために、図４に、全体が２００で表される従来構造のホーンの斜視図を示す。ホーン基部２０１は、互いに略直交する縦溝２０２と横溝２０３とを有する。また、縦溝２０２と横溝２０３に挟まれた部分に、複数の、角錐状の突起部２０４を含む。
【００１７】
また、図５は、従来構造のホーン２００を用いて超音波接合を行なった場合の、接合工程の概略図であり、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に相当する工程を示す。
【００１８】
従来のホーン２００では、ホーン２００の突起部２０４への被接合材２０の食い込みが進み、縦溝２０２が被接合材２０で埋まった時点で、被接合材が主にｙ軸方向（紙面に垂直な方向）に、ホーン２００の外周部に押し出されて、バリ２０５が発生していた。なお、ここでは、ｙ軸方向に突出したバリは省略し、ｘ軸方向に突出したバリのみ示すこととする。
バリ２０５の量は、突起部２０４が被接合材２０に食い込む程増加する。ホーン２００の突起部２０４がすべて被接合材２０に食い込むと、被接合材２０の先端部は、ホーン２００と被接合材２０との間に留まることができず、被接合材２０と突起部２０４によって形成される、縦溝２０２の底部の隙間を通って、ホーン２００の外周部に押し出されてバリ２０５となる。
【００１９】
発生したバリについて詳細に観察したところ、バリは、主に、超音波振動の振動方向に対して垂直な方向に発生していることがわかった。
即ち、超音波振動の振動方向に対して垂直方向の溝の幅が例えば０．２ｍｍであり、超音波の振幅量が０．０５ｍｍとすると、超音波の振動毎に、溝の幅が、実質的に０．２ｍｍから０．１５ｍｍに変化している。このため、溝の幅が狭くなって押された分だけ、振動方向に対して垂直方向に金属の塑性流動が発生し、これがバリとなると考えられる。
【００２０】
これに対して、本発明にかかるホーン１００では、上述のように、振動方向に対して垂直な方向（図１のｙ軸方向）の縦溝２の幅を広くしている。例えば、縦溝２の幅が、従来の２倍である０．４ｍｍとなっている。この場合、超音波振動の振幅量が０．０５ｍｍであれば、バリとなる塑性流動の速度は、従来の半分程度となる。
【００２１】
図６は、ホーン１００の縦溝２の幅（Ｗ）と、かかるホーン１００を用いた場合に発生するバリの数との関係である。図６から明らかなように、縦溝２、横溝３の溝幅が共に０．２ｍｍの場合、発生したバリの数は１２個であるが、縦溝２の幅を０．３ｍｍより大きくすることにより、バリの発生を殆ど０にできる。即ち、振動方向に垂直な方向の縦溝２の幅を広くすることによって、バリの発生が防止できる。なお、図６では、横溝３の幅は、０．２ｍｍで一定とする。
ただし、横溝２の幅が大きくなれば、逆に、超音波接合中の被接合材２０の固定が不充分となり、被接合材２０と基材２１と接合強度が低下することもわかった。
従って、接合強度を考慮すると、突起部４のピッチに対して、縦溝２の幅をピッチの１／２以下とすることが好ましい。
【００２２】
このように、本実施の形態にかかる超音波接合装置５００では、超音波振動の振動方向に対して、垂直な縦溝２の幅を、横溝３の幅より広くすることにより、バリの発生を抑えることができる。このため、接合工程において、バリを取り除くための作業工数を減らすことができ、製造コストの削減が可能となる。
【００２３】
本実施の形態では、ホーン１００の加圧面１０に、碁盤目状に角錐状の突起部４を形成したが、振動方向に直交する方向のみ溝（図１では縦溝２）を形成しても良い。また、縦溝２と横溝３とが斜めに交差するように、綾目状に配置してもよい。ただし、振動方向に対する溝の形成方向の角度（例えば、図１では、振動方向（ｘ軸方向）と縦溝２の形成方向との間の角度）が０度に近づくほど、バリ発生防止効果は小さくなる。従って、突起部４の形状としては、三角錐や円錐形状より角錐形状が好ましい。
【００２４】
なお、ここでは、縦溝２の溝幅を変える場合について説明したが、縦溝２の深さを深くしても同様の効果が得られる。即ち、縦溝２を横溝３より深くすることにより、縦溝２中からホーン１００の外周部に押し出される被接合材２０をなくし、バリの発生を防止できる。
【００２５】
実施の形態２．
図７は、全体が１１０で表される、本実施の形態にかかるホーンの概略図である。ホーン１１０は、上述のホーン１００とほぼ同じ形状であり、ホーン基部１１の先端に、角錐形状の突起部１４が複数設けられている。突起部１４の間には、略直行する方向に、縦溝２Ａ〜２Ｆと横溝（図示せず）とが設けられている。ホーン１１０の振動方向は、縦溝１Ａ等に対して略直交する方向（図７の横方向）である。
【００２６】
ホーン１１０では、突起部１４の先端は略同一平面内にある。
また、縦溝２Ｃの底面と縦溝２Ｄの底面とを含む平面を符号４０で表す。同様に、縦溝２Ａ、２Ｂ、２Ｃの底面を含む平面、縦溝２Ｄ、２Ｅ、２Ｆの底面を含む平面を、それぞれ符号４２、４１で表す。図７から分かるように、平面４０は、突起部１４の先端を含む平面と略平行である一方、平面４１及び平面４２は、平面４０に対して所定の角度で傾斜している。即ち、縦溝２Ｃ、２Ｄは同じ深さであるが、両側に行くほど縦溝が深くなっている。
【００２７】
図８は、本実施の形態にかかる超音波接合工程の概略図である。本実施の形態にかかるホーン１１０を用いて超音波接合を行なった場合、図３の工程と同じように接合工程が進む。しかしながら、周囲の縦溝２Ａ、２Ｂ、２Ｅ、２Ｆが中央の縦溝２Ｃ、２Ｄより深くなっているため、図８（ｃ）に示すように、縦溝が被接合材で埋められることによるバリの発生を低減できる。
【００２８】
なお、被接合材に対する突起部１４の食い込み量は、超音波振動の印加時間によって変化するが、溝部の空隙が埋まることにより加圧面の面圧は低下するため、食い込みスピードもこの時点で低下する。従って、溝部にできる空隙の量は、食い込み量のプロセスばらつきを考慮した上で決定すればよい。例えば、突起部１４の高さが０．７ｍｍの場合、縦溝２Ａと縦溝２Ｃとの段差（上下方向の距離）は約０．２ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００２９】
このように、本実施の形態２にかかる超音波接合装置では、縦溝の底部を結んだ平面を、３つの面４０、４１、４２からなるようにしたため、バリの発生を防止できる。この結果、接合工程において、バリの除去工程が省略でき、製造コストの低減が可能となる。
なお、縦溝の底部を結んだ平面を、４以上とすることも可能である。
【００３０】
ここでは、縦溝の底部を結んだ平面が３つの面４０、４１、４２からなり、先端部が１つの平面に含まれる場合について説明した。しかしながら、先端部を結んだ面を、多面構造とすることも可能である。要は、中央の縦溝が被接合材で埋められた場合でも、周囲の縦溝が被接合材で埋まらなければよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるホーンの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる超音波接合装置の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる超音波接合工程の概略図である。
【図４】従来構造にかかるホーンの斜視図である。
【図５】従来の超音波接合工程の概略図である。
【図６】ホーンに形成された溝幅と発生するばりの数との関係である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかるホーンの概略図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる超音波接合工程の概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ホーン基部、２  縦溝、３  横溝、４  突起部、１０  加圧面、２０  被接合材、２１  基材、３０  超音波振動方向、１００  ホーン、１５０  アンビル、５００  超音波接合装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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